JP3301298B2 - 赤外線ガス分析計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多成分ガスでなる
試料ガス中の特定成分の濃度を該ガス成分による赤外線
吸収を利用して測定する吸光式赤外線ガス分析計の構成
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術にもとづく赤外線ガス分析計の
概略構成を図５に例示し、この図によって従来技術を説
明する。図５において、３は赤外線光源であり、この光
源３から発せられる赤外線光束は回転するチョッパ２に
よりチョッパ２の回転周期の断続光となって一方の赤外
線光束は測定光線10として第１セル12に、また、他方の
赤外線光束は基準光線11として第２セル13に導かれ、基
準光線11と測定光線10のアンバランスは位置の移動に応
じて遮光量が変わるトリマ41により調整される。

【０００３】第１セル12には光透過窓４、５が設けら
れ、導入管16、17を介して分析目的成分ガスを含む測定
ガスが矢印方向に流通しており、測定光線10はこの第１
セル12において、分析目的成分ガスの吸収波長領域でそ
の濃度に応じた赤外線吸収を受ける。また、第２セル13
にも同様に光透過窓６、７が設けられ、赤外線に対して
吸収作用をもたないガス、例えば窒素ガス等が封入され
ており、このため第２セル13に導かれた基準光線11は分
析目的成分ガスによる赤外線の吸収を受けることなく透
過する。

【０００４】第１セル12を透過した測定光線10及び第２
セル13を透過した基準光線11はそれぞれガス封入式の検
出器20に導かれる。この検出器20は、第１膨張室14及び
第２膨張室15とで構成され、それぞれの膨張室14，15に
は各々光透過窓８、９が設けられ、分析目的成分ガスと
同じ種類のガスが充填されている。検出器20の第１膨張
室14には光透過窓８を介して測定光線10が、また第２膨
張室15には光透過窓９を介して基準光線11が入射し、充
填してある分析目的成分ガスと同じ種類のガスがその吸
収波長域の赤外線を吸収して充填ガスの温度圧力を上昇
させるが、測定ガスが流通している第１セル12を透過し
た測定光線10の強度は、測定ガス中の分析目的成分ガス
による赤外線吸収によって減少しているので、第１膨張
室14における温度圧力の上昇は第２膨張室15の温度圧力
の上昇より僅少となり両膨張室間に温度圧力の上昇にア
ンバランスを生じる。この第１膨張室14と第２膨張室15
間に発生する温度圧力の上昇のアンバランスによって、
第１膨張室と第２膨張室を連通して設けたガス通路に第
１セル12中の分析目的ガスの濃度に比例したガスの流れ
が生ずるので、このガスの流れを熱線素子18、19でなる
流速センサで検出してガス濃度測定信号を得ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来構成
の赤外線ガス分析計においては、基準光束の光量に対す
る測定光束の光量の減少分を出力として取り出す方式と
なっているので低濃度ガス分析の際検出感度が不足にな
り、測定感度の向上が期待できない。また、上記低濃度
測定の際には測定信号は試料ガス中に含まれる測定妨害
成分の影響がおおきくなり、その影響を補償する必要が
ある。

【０００６】本発明は上述の点に鑑み従来技術の欠点を
除き、検出感度を向上させて低濃度のガス分析を行うこ
とができ、測定妨害成分に対する影響が少ない赤外線ガ
ス分析計を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明においては、吸光
式の赤外線ガス分析計を、赤外線光源と、この赤外線光
源から出射される赤外線光束が導かれる第１セル及び第
２セルと、第１セルを透過した第１赤外線光束および第
２セルを透過した第２赤外線光束が入射する検出器と、
赤外線光源と第１セルならびに第２セルとの間に配置さ
れ、分割して設けた光透過窓を備えたガスセルの一方に
被測定成分ガスを含まない基準ガスを封入して基準ガス
セルとし、もう一方に被測定成分ガスと同一成分のガス
を封入して測定ガスセルとしたモータで回転駆動される
ガス相関セルとで構成し、ガス相関セルの回転にともな
い、ガス相関セルの基準ガスセルを透過した赤外線光束
と測定ガスセルを透過した赤外線光束とが、交互に前記
の第１セルと第２セルを照射して前記検出器に入射する
ようにし、第１セルと第２セルとに基準ガスを流通した
ときと、測定対象の試料ガスを流通したときの検出器の
出力信号の差分が試料ガス中の分析目的ガスの濃度を与
えるようにする。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の基本となる実施の形態を
図１に、また、図２と３に本発明の原理を説明する図を
示し、これらの図に基づいて本発明を説明する。なお、
図１ないし３においては、図５によって説明の従来構成
の赤外線ガス分析計におけると同等に作用する要素に図
５におけると同一の符号を付してあるので、その詳細説
明は省略する。

【０００９】図１に示す本発明にもとづく赤外線ガス分
析計は、光源３が出射する第１赤外線光束10で照射され
る第１セル12と、第２赤外線光束11で照射される第２セ
ル13と、第１セル12を透過した第１赤外線光束および第
２セル13を透過した第２赤外線光束が入射する従来技術
の項で説明の分析目的成分ガスと同じ種類のガスを充填
したガス封入式の検出器と同等の構成の検出器20とを備
え、分割して設けた光透過窓24〜27を備えたガスセルの
一方に分析目的成分ガスを含まない基準ガス（図１の例
ではＮ2 ）を封入して基準ガスセル22とし、他方に分析
目的成分ガスと同一成分のガス（図１の例ではＣＯ）を
封入して測定ガスセル21としたモータ１で回転駆動され
るガス相関セル23を光源３と前記の第１セル12および第
２セル13との間に配置し、第１セル12を流通した測定ガ
スが第２セル13をも流通するよう図１中に一点鎖線で示
されているように配管を接続し、さらにガス相関セルを
モータ１によって回転させることにより、第１セル12と
第２セル13とにガス相関セル23を通過した赤外線光束が
交互に入射するように構成されている。

【００１０】続いて、ガス相関セル23の回転状態を示す
図２と、熱線素子18、19をガスの流速センサとする検出
器20の動作を説明する図３によって本発明にもとづく赤
外線ガス分析計の検出感度について説明する。図２の
（ａ）は、第１セル12の側にガス相関セル23の測定ガス
セル21が位置し、第２セル13の側には基準ガスセル22が
位置した状態Ａを示しており、図２の（ｂ）は、ガス相
関セル23が回転して測定ガスセル21と基準ガスセル22の
位置が反転した状態Ｂを示している。

【００１１】上記の状態Ａのとき、第１セル12の側では
測定ガスセル21で分析目的成分ガスの固有の吸収波長の
光が吸収された光が入射するが、第２セル13には基準ガ
スセル22を透過した分析目的成分ガスの吸収のない光が
入射する。そして、第１セル及び第２セルそれぞれを透
過した赤外線光束は検出器20に入射する。第１セル12と
第２セル13とにゼロガス（Ｎ2 ）を流通させたときの状
態Ａでは、検出器20の第２膨張室15に入射する赤外線光
束は分析目的成分ガスの吸収波長域の光の欠落が無い光
であり、一方、第１膨張室14には測定ガスセル21に封入
した分析目的成分ガスに固有の吸収波長域の光が吸収に
よって欠落した赤外線光束が入射する。このため、検出
器20に封入してあるガスの圧力の上昇は第２膨張室15の
側で高くなって第１膨張室14と第２膨張室15間に圧力差
を生じ、第１膨張室14と第２膨張室15の連通部に図２の
（ａ）において矢印Ａで示される方向に封入ガスの流れ
が生じる。この封入ガスの流れにより、一定電流を流し
て温度上昇状態にある熱線素子19は発生熱を奪われて温
度が低下し、その電気抵抗Ｒ2vはガス流の無いときの平
衡値Ｒ20から△Ｒ20減少する。これに対して熱線素子18
は熱線素子19から奪った熱で温度上昇した封入ガスの流
れにより加熱され、その電気抵抗Ｒ1vはガス流の無いと
きの平衡値Ｒ10から△Ｒ10増加する。

【００１２】熱線素子18と19とは、素子に一定電流ｉを
供給する定電流源ＣI1，ＣI2と対をなして図３の（ａ）
に示すブリッジ回路を構成しており、このブリッジ回路
において熱線素子18と19の抵抗偏差分に対応して検出さ
れる出力電圧ＥA は下記の式（１）となる。

【００１３】

【数１】 ＥA ＝Ｒ1v×ｉ−Ｒ2v×ｉ （１） 通常、ガス封入式の検出器を構成する対をなす熱線素子
は同等の特性となるように、電気抵抗の平衡値Ｒ10とＲ
20及びその同一条件のもとでの変化分△Ｒ10と△Ｒ20と
がそれぞれ同一の値Ｒおよび△Ｒ0 となるよう製作調整
されるので、熱線素子18と19の熱抵抗特性として下記の
式（２）と式（３）とが成立し、この両式を式（１）に
代入して式（４）が得られる。

【００１４】

【数２】 Ｒ1v＝Ｒ10＋△R1＝Ｒ＋△Ｒ0 （２）

【００１５】

【数３】 Ｒ2v＝Ｒ20−△R2＝Ｒ−△Ｒ0 （３）

【００１６】

【数４】 ＥA ＝Ｒ1v×ｉ−Ｒ2v×ｉ＝２△Ｒ0 ×ｉ （４）次に
ガス相関セル23が回転して図２（ａ）の状態Ａから同図
（ｂ）の状態Ｂに変わると、今度は状態Ａとは逆の矢印
Ｂで示される方向にガスの流れを生ずることとなり、従
って、熱線素子18と19の抵抗変化分も式（５）と（６）
で示されるように逆転するので、その結果状態Ｂに対応
のブリッジ回路出力電圧ＥB も式（７）で示されるてい
るように極性が逆転する。

【００１７】

【数５】 Ｒ1v＝Ｒ10−△R1＝Ｒ−△Ｒ0 （５）

【００１８】

【数６】 Ｒ2v＝Ｒ20＋△R2＝Ｒ＋△Ｒ0 （６）

【００１９】

【数７】 ＥB ＝Ｒ1v×ｉ−Ｒ2v×ｉ＝−２△Ｒ0 ×ｉ （７） ガス相関セル23が一定周期で回転すると、回転の半周毎
に上記の状態Ａと状態Ｂとが交代するので、検出器20の
ブリッジ回路は図３の（ｂ）例示のようにガス相関セル
23の回転周期の交流信号を出力し、この交流信号の振幅
ＥO は、上記の式（４）と式（７）の差分となり式
（８）で表される。

【００２０】

【数８】 ＥO ＝ＥA −ＥB ＝２△Ｒ0 ×ｉ−（−２△Ｒ0 ×ｉ） ＝４△Ｒ0 ×ｉ （８） 分析目的成分ガスの含む試料ガスを第１セル12と第２セ
ル13とに流通させたときにも、以上に説明の過程と同等
の過程を通じて検出器20のブリッジ回路は交流信号を出
力するが、この場合第１，第２セルで分析目的成分ガス
の吸収波長域の光が該成分の濃度に対応して吸収されて
減衰するので、ガス相関セル23の基準ガスセル22から第
１または第２セルを透過して検出器20に入射する光の強
度は、第１または第２セルにおける吸収相当分減弱して
いるのに対し、ガス相関セル23の測定ガスセル21を経る
光は測定ガスセル21において分析目的成分ガスの吸収波
長域の光は吸収されて消滅しているので、第１または第
２セルを透過したときさらなる吸収減衰は起こらず検出
器20に入射する光の強度は不変に保たれる。結局、検出
器20のの熱線素子18と19の抵抗変化分はゼロガス（Ｎ2
）を流通させたときの変化分△Ｒ0 より第１または第
２セルにおける分析目的成分ガスの光吸収相当分小さい
△ＲM となってブリッジ回路は式（８）に相当する試料
ガス流通時の信号ＥM を出力することとなる。

【００２１】図４（ｂ）の検出器20のブリッジ回路の出
力信号説明する図において、実線がゼロガス（Ｎ2 ）を
流通させたときの出力信号Ｅ0 を、そして、２点鎖線が
分析目的成分ガスのを含む試料ガスを流通させたときの
出力信号ＥM を例示しており、両信号の差分が試料ガス
中の分析目的成分ガスの濃度に対応しているので、この
差分を公知の電子回路によって抽出増幅してこの赤外線
ガス分析計の測定値として出力する。

【００２２】ところで、図５によって説明の従来方式の
赤外線ガス分析計では、測定対象の試料ガスは一方の第
１セル12にのみ導入され、もう一方の第２セル13には赤
外線に対して吸収作用をもたない窒素ガス等が封入され
ているので、試料ガスに分析目的成分ガスが含まれると
き検出器20への入射赤外線光束は第２セル13側透過光が
第１セル12側透過光より高強度状態となりこの状態が反
転することはない。従って、検出器20での検出信号の振
幅は、式（７）に相当の図４の（ｂ）において点線で示
された本発明の赤外線ガス分析計の検出信号の半周期分
に当たるEAとなり本発明の分析計における検出信号の１
／２相当であるので本発明による赤外線ガス分析計の検
出感度は従来方式の分析計の検出感度の２倍相当に向上
していることとなる。

【００２３】また、本発明による赤外線ガス分析計では
回転するガス相関セルを用い、第１セルと第２セルには
同じ試料ガスが流通する光学構造的に対称な構成として
いるので、試料ガス中に測定妨害成分が含まれる場合や
セルが流通ガスによって汚染される場合でも、これらに
よる影響は第１セルと第２セル両光路間で同等に発生し
て相殺されて測定結果への影響が低減される。ただし、
対称な光学構造であっても製作上僅かなアンバランスが
残るので第１セル12と第２セル13の光入射位置または出
射位置に第２の発明にもとづいて位置の移動に応じて遮
光量が変わるトリマ41を設け光量バランスを調整できる
ようにしておくとよい。

【００２４】

【実施例】上記発明の実施形態の項に説明の本発明の原
理のもと、試料ガスを導入する第１，第２セル相当部分
を多重反射式にして長い光路長を確保し、低濃度成分を
安定して測定できるようにした赤外線ガス分析計の構成
を図４に示し、この実施例について説明する。

【００２５】図４において、図（ｂ）がこの赤外線ガス
分析計の一方の光源と該光源の射出光が入射する検出器
の膨張室の中心を含む面での断面図であり、図（ａ）は
図（ｂ）のＡ−Ａ断面を図（ｃ）は図（ｂ）のＢ−Ｂ断
面を示している。なお、図４においても、図１によって
説明の本発明による赤外線ガス分析計及び図５によって
説明の従来構成の赤外線ガス分析計におけると同等に作
用する要素には図１並びに図５におけると同一の符号を
付してあるので、その詳細説明は省略する。

【００２６】図４において、光源３を出射した赤外線光
束は、光の指向性が維持されるように設けた集光ミラー
ユニット30の第１，第２集光ミラー31，32で反射されて
ガス相関セル23を通り対向する反射鏡を設けた多重反射
セル33に入射し、多重反射セル33に入射した赤外線光束
は多重反射セル33の第１ミラー36と第２ミラー37および
第３ミラー38における反射を順に繰り返して検出器20で
受光される。この実施例では、多重反射セル33を相互に
対向する３個のミラーで構成し、多重反射セルからの射
出光が入射光と同側に射出するようにしているので、光
源３と検出器20とは多重反射セル33の同一側面で例えば
上下に配置されることとなるが、この点以外は図１に示
した実施形態の赤外線ガス分析計と同等であり、検出器
20は既に説明の通り作動するので説明の繰り返しは省略
する。

【００２７】このような多重反射形の長光路セルを用い
るとセル長を長くできしかも分析計の全体構成を大幅に
小型化できるメリットがある。しかしながら、多重反射
式のセルではセル内で所定の経路を光が透過するよう入
射光にはある程度の指向性を与えておく必要があるの
で、光源３が射出する光の狭い立体角の範囲を光集光ミ
ラー30で反射することによって指向性が得られるように
してセルに導いている。このため一方向の光路構成の赤
外線ガス分析計に比べて光の利用効率が低くなり、検出
器20に入射する絶対光量が少なく検出器の安定確実な動
作の維持が困難になる傾向にある。

【００２８】本発明に基づいて構成した赤外線ガス分析
計では、検出感度が従来方式の分析計に比べて２倍相当
に向上しているので光の利用効率が低い多重反射形の長
光路セルを用いても安定確実な動作の維持が容易にな
る。

【００２９】

【発明の効果】本発明にもとづく赤外線ガス分析計にお
いては、赤外線光源と分析対象の試料ガスが共通に流通
する第１セルならびに第２セルとの間に被測定成分ガス
を含まない基準ガスを封入した基準ガスセルと分析目的
成分ガスと同一成分のガスを封入した測定ガスセルとで
なりモータで回転駆動されるガス相関セルを設け、この
ガス相関セルの回転にともない基準ガスセルと測定ガス
セル透過光が第１セルと第２セルを経てガス封入式の検
出器を構成する第１と第２の膨張室に交互に入射するよ
うにして検出器の熱線素子配置部分を流れる封入ガス流
の方向がガス相関セルの回転周期で反転するようにして
いるので、検出器の検出感度が封入ガス流の方向反転を
伴わない従来構成の赤外線ガス分析計における検出感度
の２倍に向上し、低濃度のガス分析の安定な実行が可能
になるという効果が得られる。

【００３０】また、検出感度が向上しているので光の利
用効率が低い多重反射形の長光路セルを用いても安定確
実な動作が維持されるので、長光路を必要とする低濃度
成分測定用の赤外線ガス分析計を多重反射形セルを用い
てコンパクトに構成できるという効果も得られる。さら
に、回転駆動されるガス相関セルを設け、分析対象の試
料ガスが第１セルならびに第２セルに共通に流通するよ
うにして光学系を完全に対称に構成しているので、試料
ガスがセルを汚染するようなときでも両セルは均等に汚
染されることとなり、測定妨害成分による吸収も対称光
学系に等分に影響して相殺されるので、本発明にもとづ
く赤外線ガス分析計においては試料ガスによるセル汚染
や測定妨害成分による干渉の影響が少ないという効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による赤外線ガス分析計の実施形態の構
成を示す図

【図２】本発明による赤外線ガス分析計の動作原理説明
図

【図３】本発明に赤外線ガス分析計の出力信号説明図

【図４】多重反射長光路セルを適用した本発明による赤
外線ガス分析計の構成図

【図５】従来技術による赤外線ガス分析計の構成図

【符号の説明】

１ モータ ２ 回転チョッパ ３ 赤外線光源 ４〜９ 光透過窓 10 第１赤外線光束 11 第２赤外線光束 12 第１セル 13 第２セル 14 第１膨張室 15 第２膨張室 16，17，28 29 ガス導入管 18 19 熱線素子 20 検出器 21 測定ガスセル 22 基準ガスセル 23 ガス相関セル 24〜27 光透過窓 30 集光ミラーユニット 31 第１集光ミラー 32 第２集光ミラー 33 多重反射セル 34 第１セル 35 第２セル 36 第１ミラー 37 第２ミラー 38 第３
ミラー 39，40 ガス導入管 41 トリマ

フロントページの続き (72)発明者 平山 紀友 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 坂上 智 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−140646（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−110377（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−17898（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−68581（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/61 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料ガス中の特定成分の濃度を該ガス成分
   による赤外線吸収を利用して測定する吸光式の赤外線ガ
   ス分析計であって、 赤外線光源と、この赤外線光源から出射される赤外線光
   束が導かれる第１セル及び第２セルと、前記第１セルを
   透過した第１赤外線光束および前記第２セルを透過した
   第２赤外線光束が入射する検出器と、 前記赤外線光源と前記第１セルならびに第２セルとの間
   に配置され、分割して設けた光透過窓を備えたガスセル
   の一方に被測定成分ガスを含まない基準ガスを封入して
   基準ガスセルとし、他方に被測定成分ガスと同一成分の
   ガスを封入して測定ガスセルとしたモータで回転駆動さ
   れるガス相関セルと、からなり、 前記ガス相関セルの回転にともない、ガス相関セルの基
   準ガスセルを透過した赤外線光束と測定ガスセルを透過
   した赤外線光束とが交互に前記第１セルと第２セルを照
   射して前記検出器に入射するようにし、前記第１セルと
   第２セルとに基準ガスを流通したときと、測定対象の試
   料ガスを流通したときの検出器の出力信号の差分が試料
   ガス中の分析目的ガスの濃度を与えるようにしたことを
   特徴とする赤外線ガス分析計。
2. 【請求項２】第１セルと第２セルとを、多重反射式の長
   光路セルで構成したことを特徴とする請求項１に記載の
   赤外線ガス分析計。
3. 【請求項３】第１セルおよび第２セルの赤外線光束の入
   射位置または出射位置のいずれかに位置の移動に応じて
   遮光量が変わる光量調整機構を設けたことを特徴とする
   請求項１または請求項２のいずれかに記載の赤外線ガス
   分析計。